真空的测量与获得.doc

浙师大近代物理实验报告浙师大近代物理实验报告真空的获得与测量任希 物理081 08180123摘要：操作之前需要对本实验之中各个概念进行把握，首先要对真空的概念加以理解，从而了解真空的一些特点以及真空技术的基本知识。根据真空的定义，用旋片式机械泵进行初级的真空处理，用油扩散泵进行高真空获取，这样就制造了真空环境。本实验要求在了解真空技术的基础上，掌握高真空的获得和测量的基本原理和方法的前提下测出真空度。关键词：真空 、真空泵 引言：本次实验的对象是真空，那我们就有必要对真空有个全面的了解，真空本指没有任何实物粒子存在的空间，但什么都没有的空间是不存在的。而假设你把一个空间的气体都赶跑，会发现还是不时有基本粒子在真空中出现又消失，无中生有。物理上的真空实际上是一片不停波动的能量之海。真空技术的历史开始于1634年，当时，托里拆利将一端密封的长玻璃管注满汞并倒置于盛有汞的槽里，发现汞柱顶端产生真空。但是真空作为一门独立的学科出现，只是近几十年的事。自二十世纪初起，随着电子管的研究和生产，逐步建立起了能够获得和测量压强低于的高真空设备与技术；到二十世纪五十年代，随着表面物理，原子能物理，以及半导体、电子计算机、航空技术的迅速发展，发展了超高真空技术；到二十世纪七十年代，又进一步提高到压强低于的极高真空。目前，在工业、生产、医学等领域对真空的说法是,当容器中的压力低于大气压力时,把低于大气压力的部分叫做真空,而容器内的压力叫绝对压力。另一种说法是,凡压力比大气压力低的容器里的空间都称做真空。因此真空有程度上的区别：当容器内没有压力即绝对压力等于零时，叫做完全真空；其余叫做不完全真空。完全的、绝对的真空是不存在的，实验室以及其他条件下获得的真空都是不完全的真空。我们通常把真空度的高低以气体压强的大小来表示，气体压强越低则真空度越高，反之气体压强越高则真空度越低。正文：本次实验我们使用的仪器：机械真空泵、油扩散泵、FZH-2B复合真空计等。机械泵利用机械旋转产生吸气和排气过程，以获得真空。常用的是旋片式机械泵，它由定子、转子、旋片、弹簧等组成。旋片式机械泵是一种油封式机械真空泵。其工作压强最低能够达到10-1 ，属于低真空泵。它可以单独使用，也可以作为其它高真空泵或超高真空泵的前级泵。其主要结构见下图：机械泵注意事项如下：由于机械泵工作时由电动机动力维持抽气口和排气口的压强差，一旦停止 工作，排气口的大气压将把真空泵油压到定子腔中，造成返油事故。因此，机械泵停止工作后必须使抽气口与大气相通，使泵的进气口和排气口气压平横。油扩散泵能比机械泵获得更高的真空度，它的工作压力范围是10-110-6Pa，起始压强正好是机械泵的极限压强。因此油扩散泵通常要利用机械泵作为前级泵，将真空度抽到10-1Pa后才能打开油扩散泵。 油扩散泵是利用气体的扩散性质制作的，油扩散泵主要由泵体、扩散喷嘴、蒸气导管、油锅、加热器、扩散器、冷却系统和喷射喷嘴等部分组成。当油扩散泵用前级泵预抽到低于1Pa真空时,油锅可开始加热。沸腾时喷嘴喷出高速的蒸气流，热运动的气体分子扩散到蒸气流中，与定向运动的油蒸汽分子碰撞。气体分子因此而获得动量，产生和油蒸气分子运动方向相同的定向流动到前级，油蒸气被冷凝释出气体分子，即被前级泵抽走而达到抽气目的。对于真空度的测量以及检测我们使用了FZH-2B复合真空计，FZH-2B复合真空计是由两支热偶计规管和一支电离规管组成测量端，并通过专用的电子仪器读数。热偶真空计的原理是利用在低气压下气体的热导率与气体压强间有依赖关系。因此，如果把一段金属丝封入导管中，接入真空系统。并通过一定的电流使金属丝加热，则金属丝的温度取决于输入功率与散热的平衡关系。当输入功率一定时，丝温与气体的热导率有关。只要用某种方法测出丝温变化,即可经校准而读出压强。热阴极电离真空计通常用来测量高真空。热阴极灯丝A通电加热后发射热电子，栅状阳极B带有较高的正电压。热电子被阳极B电压加速，并为阳极收集。因为阳极为栅状，所以将有一些电子穿过阳极，这些电子在带有负电子的板状收集极C的作用下又返回阳极，并在空间来回振荡，最后为阳极的正离子被收集极C所收集，形成一定的离子流Ii。对于一定的电子流Ie，离子流Ii和气体的压强成正比。实验的主要步骤如下：1、开机械泵，将三通阀向里推至死点2、开启真空计测量前级低真空，开机预热一定的时间后，将“加热测量”开关置于“测量”位置（有两个测量档，先置于其中任意一档）。再对对储气瓶进行抽气，观察热偶真空计的读数，若真空度增加，表明当前测量档测量的是储气瓶的真空度。若真空度变化不大，表明当前测量的是真空室的真空度。通过这个步骤，可以确定热偶计的两个“测量”档分别对应哪个区域的真空；3、接通冷却水及油扩散泵加热器，当油扩散泵预热40分钟后即可正常工作4、当储气瓶的真空度达到6.7帕以上时，将三通阀向外拉到底，开始对真空室预抽。真空计换挡测量真空室中的真空度，使其压力小于6.7帕。5、加热完毕后，打开高真空蝶阀，同时将三通阀推至里面死点。此时油扩散泵与机械泵同时处于工作状态，观察热偶计的读数。当低真空测量等于或小于0.13帕时，转至高真空测量，直至机组达到极限真空度（10-1Pa）为止。6、打开灯丝，电离计接通，开始进行高真空度测量。一开始，每隔15秒记录一次数据；随着时间的增加，真空度变化越来越慢，可以适当延长两次数据记录的时间间隔。7、当真空度不再变化，停止高真空测量。先关闭灯丝，再关闭高真空蝶阀，停止对油扩散泵加热。8、等到油扩散泵冷却至室温后，关闭机械泵和冷却水，切断电源。数据的处理：时间（s）030456075压强（pa）0.030.0250.0210.0170.014时间（s）90105130240360压强（pa）0.0120.0110.010.0090.008时间（s）480540650压强（pa）0.0070.0060.005其关系曲线如图：实验总结：实验的结果大致符合我们预先的设想，压强随时间的变化会逐渐地变慢，最后会趋于一个稳定的值，以上这幅图也大致呈现了这个结